Stvoreno novo stanje materije- vremenski kristal
30. novembra, u časopisu “Nature”, objavjen je rad pod nazivom “Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor”. Ovaj rad pruža detaljan uvid u eksperimentalni podvig koji je, ukratko rečeno, usmerio pažnju ne samo na domete fizike kompleksnih sistema, nego i na mogućnosti kvantnih računara. Tim naučnika sa najprestižnijih svetskih instituta, uspeo je da eksperimentalnim putem kreira novo stanje materije, nazvano “Vremenski kristal”.
Kakvo je stanje materije vremenski kristal?
Kao što se kristalna struktura materije ponavlja u prostoru, tako se i vremenski kristal ponavlja beskonačno, bez korišćenja dodatne energije. Ovaj beskonačni obrazac otkriven je u sistemu čestica koje su, pod određenim uslovima, dospele u stanje stabilnog oscilovanja u neravnotežnom stanju, a za to su korišćene postojeće mogućnosti kvantnih procesora. Preciznije: u eksperimentu je kvantni procesor tretiran kao kvantni sistem koji se opservira.
Za eksperiment je korišćen Izingov model (model koji se često koristi u statističkoj fizici i teoriji interagujućih sistema). On podrazumeva rešetku u kojoj je svaki deo okupiran česticom koja može biti u dva stanja: spin dole i spin gore.
Pojednostavljeno rečeno, neravnotežni višečestični sistemi jesu sistemi u kojima su čestice “zaglavljene” u određenim stanjima iz kojih nikada ne mogu da se relaksiraju u stanje ravnoteže. U pomenutom istraživanju, dotično stanje trebalo je da izazovu periodični udari lasera i dovedu materiju u stabilno neravnotežno stanje.
Kako je stvoren vremenski kristal?
Tim je uspeo da stvori fazu materije u kojoj se spinovi čestica okreću po vremenskom obrascu koji se ponavlja večno, u periodu koji je dvostruko veći od perioda pokretanja lasera. Tako su napravili vremenski kristal.
Ono što je ovde filozofski provokativno jeste mogućnost postojanja obrazaca koji se (pod određenim, netermalnim uslovima) mogu “pronaći” i koji, zauzvrat, zarobljavaju čestice u svom svetu. Nešto poput perpetuum mobile! Već znamo da su simetrije u prirodi jedan od osnovnih principa razumevanja fizičkih sila i faznih prelaza materije.
U normalnim okolnostima, udar lasera, koji uspostavlja ritam dinamike čestičnog sistema, sinhronizovao bi spinove čestica po svom ritmu. Međutim, u slučaju vremenskog kristala, spinovi se okreću između 2 stanja (gore i dole), kompletirajući ciklus samo kada bi bili udareni laserom 2 puta! Rečju, nalaze se u stabilnom neravnotežnom stanju, zavisnom od vremenskog obrasca u koji su upale. I što je najprovokativnije – tom obrascu nije potrebna dodatna energija da bi održavao sistem.
Izazov ograničenja kvantnog računara
Pre svega, kvantni računar je ograničen u veličini i vremenu koherencije, pa se vremenski kristal opservira na ograničenom uzorku po pitanju veličine i trajanja. Ovo znači da se oscilacije vremenskog kristala mogu opservirati samo na nekoliko stotina ciklusa, a ne na beskonačno njih. Međutim, pristup eksperimentatora podrazumeva protokole koji uključuju pokretanja simulacija napred i nazad u vremenu, kao i skaliranje veličine.
Jedan od autora eksperimenta i direktor insitituta Max Planck – Roderich Moessner – objasnio je da ih je kvantni računar “opomenuo” kako da isprave svoje greške u pristupu, kako bi iz ograničenih uslova (tj. ograničenog vremena), uspeli da detektuju idealno vremensko kristalno ponašanje sistema.
Ključni potpis idealnog vremenskog kristala pokazuje beskonačne oscilacije u svim stanjima. Istraživači su smislili protokol za testiranje preko milion stanja njihovog vremenskog kristala u samo jednom pokretanju mašine (što zahteva milisekundu rada)! Ovakav pristup se upoređuje sa opserviranjem fizičkog kristala iz mnogih uglova, da bi se verifikovala njegova ponavljajuća šema. Pored značajnog prodora u fizici kompleksnih sistema, ovo ukazuje na buduću svestranu upotrebnu kvantnog računarstva.
Izvor: Nature
